【摘要】：城市污水處理廠污泥的大量產(chǎn)生已成為目前亟待解決的環(huán)境問題，轉(zhuǎn)變污泥處置思路，尋求合理的污泥資源化途徑是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。微生物脫鹽電池（Microbial Desalination Cells, MDC）能夠在利用污泥中的有機(jī)物進(jìn)行產(chǎn)電的同時(shí)淡化鹽水，為污泥的能源化資源化利用提供了新的契機(jī)。然而，目前對(duì)于MDC系統(tǒng)性能的研究尚處于初步階段，在底物研究中，直接采用城市污水處理廠常規(guī)脫水處理后產(chǎn)生的污泥作為陽極底物的報(bào)道還很少，而對(duì)于產(chǎn)電后剩余陽極污泥的后續(xù)資源化也有待進(jìn)一步深入研究。 本文提出了將脫水污泥作為MDC陽極底物進(jìn)行產(chǎn)電、脫鹽的能源化利用方式，以及利用處理后的陽極污泥改良鹽堿化土壤的資源化利用方式。為了提高M(jìn)DC性能和有效避免由于脫鹽導(dǎo)致的陽極污泥鹽分過量累積，對(duì)MDC構(gòu)型進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)建了五室微生物脫鹽電池（5c-MDC）、五室微生物電容型脫鹽電池（5c-MCDC）和七室微生物雙脫鹽電池（7c-MDDC）三種構(gòu)型的MDC，并研究它們的產(chǎn)電脫鹽性能、陽極污泥中有機(jī)物降解、重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化和植物營養(yǎng)特征變化規(guī)律，進(jìn)而研究了脫水污泥和陽極處理后污泥對(duì)鹽堿化土壤的改良作用和重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。 研究結(jié)果表明：以脫水污泥為陽極底物的MDC具有啟動(dòng)快（5~6d），長期運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)勢（200~300d）。三種構(gòu)型的MDC產(chǎn)電效率相近，且以5c-MDC的產(chǎn)電效率最高，Pmax可達(dá)3.178W/m3。脫鹽性能方面，5c-MDC的脫鹽效率最高，且脫鹽效率隨著NaCl初始濃度的升高而降低，即61.48±0.10%（2g/L）52.50±0.26%（10g/L）48.30±0.61%（35g/L）。5c-MCDC和7c-MDDC均可以有效避免陽極污泥鹽分的增加。在污泥降解方面，7c-MDDC的效果最好，運(yùn)行42d陽極污泥的有機(jī)質(zhì)去除率達(dá)到17.71%，200d達(dá)到32.7±0.81%，且污泥中速效氮、磷、鉀含量的增加最為明顯。運(yùn)行42d陽極污泥浸提液種子發(fā)芽指數(shù)可達(dá)到66.63±3.02%。對(duì)5c-MDC與7c-MDDC長期運(yùn)行性能的研究中發(fā)現(xiàn)：隨運(yùn)行時(shí)間的延長，陽極污泥的pH值始終維持在6.5~7.5之間，污泥溶解性有機(jī)物中腐植酸類熒光峰強(qiáng)度明顯增加，重金屬形態(tài)組成中穩(wěn)定的殘留態(tài)比例明顯增加，重金屬的生物有效性降低明顯。 以脫水污泥和陽極污泥改良鹽堿化土壤的結(jié)果表明：兩者均可以降低土壤的容重、pH值、堿化度，并增加土壤中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、速效氮、磷、鉀的含量，且陽極污泥的效果要優(yōu)于脫水污泥。當(dāng)污泥投加比例超過30%可使土壤容重降低到1g/cm3以下，pH降低1~2個(gè)單位，堿化度降低到30%以下，并使得土壤有機(jī)質(zhì)增加2.0~5.9倍，總氮增加1.5~4.6倍，總磷增加1.5~4.5倍，速效氮增加3.7~10.5倍，速效磷增加4.1~19.7倍，速效鉀增加1.1~1.8倍；隨孵育時(shí)間的延長，施用污泥后土壤的容重、pH值、堿化度、有機(jī)質(zhì)、總氮含量持續(xù)降低；速效氮、磷、鉀含量逐漸增加。種子發(fā)芽試驗(yàn)和作物盆栽實(shí)驗(yàn)均得到了污泥合理投加比例為30%~50%。經(jīng)過長期孵育和植物生長后，施用污泥的鹽堿化土壤中0.05~1mm微團(tuán)聚體比例增加，土壤溶解性有機(jī)物中溶解性微生物產(chǎn)物、富里酸和腐植酸的熒光強(qiáng)度均有所增加，表明污泥的施用促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成，增加了土壤中微生物的活性，提高了土壤的腐殖化程度。然而，兩種污泥的施入均會(huì)增加土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，在施用初期重金屬生物有效性也有所增強(qiáng)，但重金屬含量仍明顯低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，形態(tài)上仍以殘留態(tài)比例最高。經(jīng)過長期的孵育，除As外，其余元素生物有效性均有所降低，并向更穩(wěn)定殘留態(tài)轉(zhuǎn)化。5種可檢測到的重金屬和類重金屬元素在土壤/小麥和土壤/紫花苜蓿中的富集系數(shù)依次是Ni，Zn，B，Cu，Cr，且同種元素在紫花苜蓿中的富集系數(shù)大于在小麥種的富集系數(shù)。 本文提供了一條系統(tǒng)化的脫水污泥綜合利用途徑，可為MDC的性能優(yōu)化與功能拓展，以及污泥改良鹽堿化土壤的實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：X703.1
【圖文】：

Fig.1-1 Working principle of MDC脫鹽電池性能的因素分析池在理想狀態(tài)下的熱力學(xué)電壓 Ethermo（V）可實(shí)際運(yùn)行過程中難免出現(xiàn)能量損失，因此實(shí)去各種主要的能量損失的電壓，如式（1-6）[ ln( )0RTEE

技術(shù)路線圖

Fig. 2-1 Schematic of biocathode 5c-MDC reactor（2）石墨粒；（3）陰離子交換膜；（4）陽離子交換膜；（5）Ag/氧泵；（7）曝氣頭；（8）氣泡；（9）電阻箱；（10）進(jìn)口；（12）取樣口te fiber brush; (2) graphite granules; (3) anion-exchange membraon-exchange membranes (CEM); (5) Ag/AgCl reference; (6) air (8) air bubbles; (9) external resistance; (10) inlet; (11) outlet; (12

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2776109